Nieuwe methode voor stabiele en duurzame vaste-accu's

Met een innovatieve productiemethode voor de batterij van de toekomst: PSI-onderzoekers tonen in een recente studie hoe vaste-stofbatterijen kosteneffectief, efficiënt en duurzaam kunnen worden geproduceerd. De afbeelding toont een testcel waarin de bij PSI ontwikkelde vaste-stofbatterij wordt vervaardigd en getest. © Paul Scherrer Instituut PSI/Mahir Dzambegovic / Een innovatieve productiemethode baant de weg voor de batterij van de toekomst: In hun nieuwste studie tonen PSI-onderzoekers een kosteneffectieve en efficiënte manier om all-solid-state batterijen met een lange levensduur te produceren. De afbeelding toont een testcel die wordt gebruikt voor het fabriceren en testen van de bij PSI ontwikkelde all-solid-state batterij. © Paul Scherrer Instituut PSI/Mahir Dzambegovic

Links: Poröser Festelektrolyt, durch den Lithium-Dendriten (grau) bis zur Lithiumoberfläche (silbern) vordringen können; die Grenzfläche ist nur durch eine natürliche Grenzschicht (rosa) geschützt. Rechts: Am Paul Scherrer Institut PSI hergestellter, dicht gesinterter Festelektrolyt mit stabilisierender Lithiumfluorid-Beschichtung (blau), die das Eindringen von Dendriten verhindert und die Lithiumoberfläche schützt. © Paul Scherrer Institut PSI/Jinsong Zhang / Links: Poröser Festelektrolyt, durch den Lithium-Dendriten (grau) bis zur Lithiumoberfläche (silbern) vordringen können; die Oberfläche ist nur durch eine natürliche Grenzschicht (rosa) geschützt. Rechts: Dicht gesinterter Festelektrolyt, hergestellt am Paul Scherrer Institut PSI, mit einer stabilisierenden Lithiumfluorid-Beschichtung (blau), die das Eindringen von Dendriten verhindert und die Lithiumoberfläche schützt. © Paul Scherrer Institut PSI/Jinsong Zhang

Jinsong Zhang en Mario El Kazzi (van links naar rechts) met een testcel van de vaste-stofbatterij ontwikkeld aan het Paul Scherrer Instituut PSI. De twee onderzoekers hebben een proces ontwikkeld dat mild sinteren combineert met een ultradunne lithiumfluoride-coating, waardoor bijzonder stabiele vaste-stofelektrolyten mogelijk worden. © Paul Scherrer Instituut PSI/Mahir Dzambegovic / Jinsong Zhang (links) en Mario El Kazzi met een testcel van de all-solid-state batterij ontwikkeld aan het Paul Scherrer Instituut PSI. De twee onderzoekers ontwikkelden een proces dat mild sinteren combineert met een ultradunne lithiumfluoride-coating, waardoor de productie van bijzonder stabiele vaste-stofelektrolyten mogelijk wordt. © Paul Scherrer Instituut PSI/Mahir Dzambegovic

Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI zijn een doorbraak op het pad naar de praktische toepassing van lithium-metaal vaste-stofbatterijen gelukt – de volgende generatie batterijen die meer energie opslaan, veiliger zijn en sneller opladen dan traditionele lithium-ionbatterijen.

Vaste-stofbatterijen worden beschouwd als veelbelovende oplossing voor elektrisch vervoer, mobiele elektronica en stationaire energieopslag – onder andere omdat ze geen brandbare vloeibare elektrolyten nodig hebben en daardoor in principe veiliger zijn dan conventionele lithium-ionbatterijen.

Er zijn echter twee centrale problemen die de markttoepassing in de weg staan: Enerzijds blijft de vorming van lithiumdendrieten aan de anode een kritiek punt – kleine naaldachtige metaalstructuren die de lithium-iongeleidend vaste elektrolyt tussen de elektroden doordringen, zich in de richting van de kathode uitbreiden en uiteindelijk interne kortsluitingen veroorzaken. Anderzijds bestaat er een elektrochemische instabiliteit aan de grensvlakte tussen de lithium-metaal anode en de vaste elektrolyt, wat de langdurige prestaties en betrouwbaarheid van de batterij beïnvloedt.

Om deze twee obstakels te overwinnen, ontwikkelde het team onder leiding van Mario El Kazzi, hoofd van de groep Batteriematerialen en Diagnose aan het Paul Scherrer Instituut PSI, een nieuwe fabricagemethode: «We hebben twee benaderingen gecombineerd die zowel de elektrolyt verdichten als de grensvlakte met lithium stabiliseren», aldus de wetenschapper. Over hun resultaten rapporteert het team in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Science.

Wat zijn vaste-stofbatterijen?

Elektrolyten zijn centrale onderdelen in herlaadbare batterijen, omdat ze de ionenstroom tussen anode en kathode mogelijk maken. Vaste-stofbatterijen bevatten in tegenstelling tot klassieke lithium-ionbatterijen een vaste elektrolyt. Dit maakt ze dubbel zo voordelig: Ten eerste bevatten ze geen brandbare vloeibare componenten – de werking is dus veel veiliger. Ten tweede beloven vaste-stofbatterijen met dun lithiummetaal als anode hogere energiedichtheden. Daarmee zouden bijvoorbeeld elektrische auto’s in de toekomst aanzienlijk grotere reikwijdtes kunnen bereiken.

Het probleem met verdichting

Centraal in de PSI-studie staat het Argyrodit-type Li₆PS₅Cl (LPSCl), een sulfidgebaseerde vaste elektrolyt uit lithium, fosfor en zwavel. Het mineraal heeft een hoge lithium-iongeleiding, wat een snelle ionentransport binnen de batterij mogelijk maakt – een essentiële voorwaarde voor hoge prestaties en efficiënte laadprocessen. Dit maakt op argyrodit gebaseerde elektrolyten veelbelovende kandidaten voor vaste-stofbatterijen. De implementatie faalde echter tot nu toe omdat het materiaal niet voldoende kon worden verdicht, zodat er geen holle ruimtes ontstonden waarin lithiumdendrieten konden binnendringen.

Tot nu toe gebruikten onderzoeksgroepen twee benaderingen voor verdichting van het vaste elektrolyt: ofwel drukten ze het materiaal bij kamertemperatuur onder zeer hoge druk, ofwel pasten ze heetpersmethoden toe, die druk combineren met temperaturen boven de 400 graden Celsius. Bij het laatste proces, het zogenaamde klassiek sinteren, worden de deeltjes door warmte en druk samengesmolten tot een dichtere structuur.

Beide methoden leidden echter tot ongewenste bijwerkingen: het persen bij kamertemperatuur is onvoldoende omdat het leidt tot een poreuze microstructuur en overmatig kornengroei. Verwerking bij zeer hoge temperaturen brengt het risico met zich mee dat het vaste elektrolyt wordt afgebroken. Om een robuuste elektrolyt en een stabiele grensvlakte te verkrijgen, moesten de PSI-onderzoekers daarom een nieuwe aanpak volgen.

De temperatuurtruc

Om argyrodit tot een homogene elektrolyt te verdichten, betrok El Kazzi en zijn team de factor temperatuur weliswaar in hun proces, maar op een voorzichtiger manier: in plaats van het klassieke sinterproces kozen ze voor een mildere aanpak, waarbij het mineraal onder matige druk en bij een gematigde temperatuur van slechts ongeveer 80 graden Celsius werd geperst. Dit zachte sinteren leidde tot succes: de gematigde warmte en de toegepaste druk zorgden ervoor dat de deeltjes zich zoals gewenst rangschikten, zonder de chemische stabiliteit van het materiaal te veranderen. De deeltjes in het mineraal gingen nauwe bindingen met elkaar aan, poreuze plekken werden compacter en kleine holle ruimtes sloten zich. Het resultaat is een compacte, dichte microstructuur die bestand is tegen het binnendringen van lithiumdendrieten. In deze vorm is de vaste elektrolyt al uitstekend geschikt voor een snelle lithium-ionentransport.

Het zachte sinteren alleen was echter niet voldoende. Om ook bij hoge stroomdichtheden, zoals die voorkomen bij snel laden en ontladen, betrouwbaar te functioneren, had de vaste-stofcel een verdere modificatie nodig. Daartoe werd een 65 nanometer dunne coating van lithiumfluoride (LiF) onder vacuüm verdampt en gelijkmatig aangebracht als een ultradunne film op het lithiumoppervlak – deze dient als passiveringslaag aan de grensvlakte tussen anode en vaste elektrolyt.

Deze tussenschicht vervult een dubbele functie: enerzijds voorkomt ze de elektrochemische ontleding van de vaste elektrolyt bij contact met lithium en onderdrukt zo de vorming van «dode», inactieve lithium. Anderzijds fungeert ze als een fysieke barrière die het binnendringen van lithiumdendrieten in de vaste elektrolyt verhindert.

Beste resultaten na 1500 cycli

In laboratoriumtests met knoopcellen toonde de batterij onder veeleisende omstandigheden een uitzonderlijke prestatie. «De cycli-stabiliteit bij hoge spanning was opmerkelijk», zegt Jinsong Zhang, promovendi en hoofdauteur van de studie. Na 1500 laad- en ontlaadcycli had de cel nog ongeveer 75 procent van haar oorspronkelijke capaciteit behouden. Er gingen dus nog steeds driekwart van de lithiumionen van de kathode naar de anode. «Een uitstekend resultaat. Deze waarden behoren tot de beste die tot nu toe zijn gerapporteerd.» Zhang ziet daarom goede kansen dat vaste-stofbatterijen binnenkort conventionele lithium-ionbatterijen met vloeistofelektrolyt kunnen overtreffen op het gebied van energiedichtheid en duurzaamheid.

El Kazzi en zijn team tonen hiermee voor het eerst aan dat de combinatie van mild sinteren van het vaste elektrolyt en een dunne passiveringslaag op de lithium-anode zowel de vorming van dendrieten als de instabiliteit van de grensvlakte effectief onderdrukt – twee van de hardnekkigste uitdagingen bij vaste-stofbatterijen. Deze gecombineerde oplossing markeert een belangrijke vooruitgang voor het onderzoek naar vaste-stofbatterijen – ook omdat ze ecologische en economische voordelen met zich meebrengt: door de lage temperaturen bespaart het proces energie en daarmee kosten. «Onze aanpak is een praktische oplossing voor de industriële productie van argyrodit-gebaseerde vaste-stofbatterijen», aldus El Kazzi. «Nog een paar extra aanpassingen – en we kunnen van start.»